Недавно были получены результаты еще одного

Физика белка
А.В. Финкельштейн
Программа курса лекций для студентов МГУ: биологического факультета,
факультета биоинженерии и биоинформатики, физического факультета
2010 г.
Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка. Глобулярные, фибриллярные и мембранные
белки. Понятие о биосинтезе белка, о его сворачивании in vivo и in vitro и о пост-трансляционных модификациях.
Стереохимия аминокислотных остатков. Валентные связи и углы между ними. Вращение вокруг валентных
связей (примеры). Пептидная группа. Транс- и цис-пролины. Дисульфидные связи. Координационные связи.
Вандерваальсово взаимодействие: притяжение на больших расстояниях, отталкивание на малых. Разрешенные конформации аминокислотного остатка (карты Рамачандрана для глицина, аланина, валина, пролина).
Водородные связи. Их электрическая природа. Их энергия и геометрия в кристаллах. Разболтанность водородных связей в воде (как это показано на опыте?). Водородные связи в водном окружении имеют энтропийную природу.
Гидрофобные взаимодействия (в чем их особенность проявляется на опыте?). Их связь с необходимостью
насыщения водородных связей в воде. Гидрофобность и доступная воде неполярная поверхность. Гидрофобность аминокислот.
Влияние окружения, в особенности водного, на электростатические взаимодействия. Электрическое поле у
поверхности и внутри белка. Измерение электрических полей в белках при помощи белковой инженерии.
Вторичная структура полипептидов. Спирали: 27, 310, , poly(Pro) II. Антипараллельная и параллельная структура. -изгибы. Методы экспериментального обнаружения вторичной структуры. Что такое "клубок"?
Что такое "нативно-развернутые" белки?
Теорема Ландау и не-фазовость перехода спираль-клубок. Размер кооперативного участка при переходе спираль-клубок.
Стабильность -спирали и -структуры в воде. Скорость образования -структуры (шпилек и листов) и спиралей.
Свойства аминокислотных остатков (примеры: аланин, глицин, пролин, валин). Неполярные и полярные боковые группы. Заряженные боковые группы. Предпочтительные места для включения аминокислотных остатков во вторичную и в третичную структуру. Гидрофобные поверхности на вторичных структурах в белках.
Фибриллярные белки, их функции и их периодичные первичные и вторичные структуры; -кератин, фиброин шелка, коллаген. Упаковка длинных -спиралей и обширных -листов. Белки, образующие матрикс;
эластин. Амилоиды.
Мембранные белки, особенности их строения и функции. Бактериородопсин, порин, фотосинтетический
центр. Селективная проницаемость мембранных пор. Работа фотосинтетического центра. Понятие о туннельном эффекте.
Глобулярные белки. Упрощенное представление структур белковых глобул; структурные классы. Строение белков: -слои, их продольная и перпендикулярная упаковка. Правопропеллерная скрученность -листов.
Примеры.
Строение -белков. Пучки и слои спиралей. Плотная упаковка при контакте -спиралей. Строение /белков: параллельный -слой, прикрытый -спиралями (укладка Россманна) и /-цилиндр. Топология --
субъединиц. Строение + белков. Примеры.
Классификация структур белков. “Стандартные” третичные структуры (примеры). Отсутствие прямой связи
архитектуры белка с его функцией (примеры). Есть ли эволюция белковых структур? Дупликация гена и специализация. Эволюция путем перемешивания доменов.
Основные закономерности, наблюдаемые в структурах белковых глобул: наличие отдельно - и отдельно слоев; редкость перекрывания петель; редкость параллельности соседних по цепи структурных сегментов;
редкость левых -- суперспиралей. Физические причины этих феноменов.
Связь частоты встречаемости разнообразных структурных элементов в нативных глобулярных белках с собственной свободной энергией этих элементов. Примеры.
Кооперативные переходы. Обратимость денатурации белков. Денатурация глобулярного белка — переход
типа “все-или-ничего”. Критерий Вант-Гоффа для перехода “все-или-ничего”.
Тепловая и холодовая денатурация, денатурация растворителем. Диаграмма фазовых состояний белковой молекулы. Как выглядит денатурированный белок? Клубок и расплавленная глобула.
Почему денатурация глобулярного белка — переход типа "все-или-ничего"? Распад плотной упаковки ядра
белка и раскрепощение боковых групп.
Самоорганизация белка in vivo и in vitro. Вспомогательные механизмы при самоорганизации in vivo: котрансляционное сворачивание, шапероны, и т.д. Спонтанная самоорганизация возможна in vitro. Понятие о
“парадоксе Левинталя”.
Опыты по сворачиванию белка “in vitro”. Обнаружение метастабильных (накапливающихся) интермедиатов
сворачивания многих белков Расплавленная глобула — обычно (но не обязательно) наблюдаемый интермедиат сворачивания белка в нативных условиях.
Одностадийное сворачивание малых белков. Теория перехòдных состояний. Ядро сворачивания нативной
структуры белка. Его экспериментальное обнаружение in vitro методами белковой инженерии.
Решение "парадокса Левинталя": к стабильной структуре цепи автоматически ведет сеть быстрых путей сворачивания. Оценка времени сворачивания белка.
Опознавание сходства пространственных структур белков по сходству их аминокислотных последовательностей. Попытки предсказания пространственных структур белков их аминокислотным последовательностям ab
initio.
Белковая инженерия (с примерами) и дизайн (с примерами). Подтверждение теории перехòдного состояния в
катализе методами белковой инженерии. Абзимы.
Элементарные функции белков. Связывающие белки: ДНК-связывающие белки, иммуноглобины. Ферменты
и катализ. Каталитический и субстрат-связывающий центры.
Ферменты и катализ (на примере сериновых протеаз). Почему твердость белка важна для элементарной ферментативной функции?
Сопряжение элементарных функций белка и гибкость его структуры. Индуцированное соответствие. Подвижность доменов белка. Доменная структура: киназы, дегидрогеназы.
Когда белку нужна (и когда не нужна) гибкость? Аллостерическая регулировка функции белка. Гемоглобин и
миоглобин. Понятие о механизме мышечного сокращения и о движении кинезина.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАРУРА:
Основная:
[1] Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. Курс лекций. — М: Книжный дом «Университет», 2005 или
2002.
[2] Branden C., Tooze J. — Introduction to Protein Structure. — New York, London: Garland Publ., Inc., 1991; 2nd ed.,
1999.
[3] Шульц Г.Е., Ширмер Р.Х. — Принципы структурной организации белков. — М: Мир, 1982.
Дополнительная:
[4] Степанов В.М. — Молекулярная биология. Структуры и функции белков. — М: Высшая Школа, 1996.
[5] Фершт Э. — Структура и механизм действия ферментов, гл. 1, 8—12. — М: Мир, 1980.
[6] Fersht A. — Structure and mechanism in protein science: A guide to enzyme catalysis and protein folding. — NY:
W.H.Freeman & Co., 1999.
[7] Волькенштейн М.В. — Биофизика, гл.4, 6. — М: Наука, 1981.
[8] Кантор Ч., Шиммель П. — Биофизическая химия, т. 1, гл. 2, 5; т.3, гл. 17, 20, 21. М: Мир, 1982.
[9] Creighton T.E. — Proteins, 2-nd ed. — NY: W.H.Freeman & Co., 1991.
[10] Perutz M.F. — Protein structure. — NY: W.H.Freeman & Co., 1992.
[11] Ленинджер А. — Основы биохимии, в 3-х т., гл.4—8, 23, 29. — М: Мир, 1985.
[12] Страйер Л. — Биохимия, в 3-х т., гл.1—9, 27, 33—34. — М: Мир, 1984 (т.1) – 1985 (т.2,3).
[13] Рубин А.Б. — Биофизика. т.1, гл. 7—14. — М: Книжный дом "Университет", 1999.
[14] Полинг Л. — Общая химия, гл. 1—6, 9—13, 16, 24. — М: Мир, 1974.
[15] Эмануэль Н. М., Кнорре Д. Г. Курс химический кинетики. 4-е изд. — М: Высшая Школа, 1984.
[16] Howard J. Mechanics of motor proteins and the cytoskeleton. — Sunderland, Massachusetts: Sinauer Associates, Inc.,
2001. Part III.